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최근 수정 시각 : 2022-07-23 23:32:35

양자화학

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1. 개요2. 교재
2.1. Mcqurrie quantum chemistry2.2. Ratner/Schatz Quantum mechanics in chemistry2.3. Engel Quantum chemistry Spectroscopy2.4. Atkins physical chemistry quanta matter and change

1. 개요

양자화학은 화학과에서 전공과목으로 개설되는 교과목으로서 물리화학을 수강한뒤 양자역학만 심도있게 배우는 학문이다.

수학과 친하지 않은 화학과 학생들이 군론의 무기화학과 함께 싫어하는 과목이기도 하다.

화학은 양자역학이 적용되는 전자의 분포를 매우 중요시 여기는 학문이기 때문에, 수강하지 않으면, 여러모로 불편하다. 주기율표를 심층적으로 분석하는 내용도 있다. 결국 원자에서 전자의 이동과 확률분포에 관심을 기울이게 된다.

크게 3부분으로 나눌 수 있는데 첫 파트는 양자역학으로 수소원자까지 다루게된다. 이 부분은 물리학과의 양자역학이나 혹은 물리화학에서 다루는 부분과 별반 다르지 않다.

2번째 파트는 근사적 방법에 대해 배우는데 변분법이나 섭동론을 배우고 이 방법으로 헬륨원자 및 다전자 원자를 근사적으로 기술하는 법을 배우고 교재의 난이도에 따라 페르미온과 보존에 대한 특징도 배우게 된다.

다음 소개하는 부분부터 물리학과와 화학과의 두드러진 차이를 보이게 된다. 바로 양자역학을 분자로 적용시키는 것이다. 여기서 보른-오펜하이머 근사를 적용시켜 단일전자 시스템에서의 기술을 배우고 원자 또는 분자 항 기호를 구하는 방법도 배우고 원자 궤도함수 선형 조합-분자 궤도함수(LCAO-MO) 및 분자오비탈 대칭 선형조합(Symmetry Adapted Linear Combinations)라는 방법도 배우게된다. 이를 수작업으로 전개하는 것은 시간상 매우 비효율적인 일이므로 컴퓨터의 도움을 빌리게된다.

또한 분자 시스템의 양자역학적인 특성을 좀더 잘 묘사하기위해 계산화학에 대한 것도 배운다. 예를 들면 하트리-폭(Hartree-Fock) 방법이나 밀도 범함수 이론(Density Functional Theory) 등을 들 수 있다. 물리학과의 경우 griffith책 기준으로 LCAO-MO는 언급이 있지만 지표표나 분자 대칭은 언급이 없다. 또한 계산화학쪽에 대한 언급은 일체 없다고 봐도 무방할듯 하다. 물론 고체물리학을 배운다면 물리화학에 나오는 LCAO(tight-binding), Hartree-Fock, DFT, 등도 배우게 된다.

마지막으로 분광학의 양자역학적인 해석이 소개된다 먼저 선택 규칙을 배우고 분자의 전자전이, 진동, 회전등의 특징을 선택 규칙과 접목해서 배우게 된다. 그리고 라만분광학의 특징이라든가 핵자기 공명 기법의 양자역학적인 해석을 배우게 된다.

2. 교재

양자화학 교재로는 Levine, Mcquarrie, Ratner, Engel 저자 책들이 있다

2.1. Mcqurrie quantum chemistry

이 책은 번역본도 있는 교재로서 양자화학의 고전 교과서이다. 양자화학의 전개를 양자역학의 역사부터 시작하여 양자역학 초입부를 6개의 공리로 하여 그 틀에서 건축을 하는 방식이다. 양자역학,근사법,분자,계산화학까지 이해되기 쉽게 다루었고 심화부분까지 연습문제도 적절히 배합하면서 충분히 다룬 교재라 평하고 싶다. 하지만 mcqurrie의 물리화학(통칭 벽돌책)과의 전개가 매우 흡사해서 굳이 벽돌책이 있다면 이 책을 구매하는 것은 금전적으로 비효율적일지도 모르겠다. 게다가 벽돌책이 가격은 더욱 저렴한데 많은 내용을 다루므로 가성비 측면에서 훨씬 낫다. 참고로 양자화학 원서는 8만5천원 선이다.

2.2. Ratner/Schatz Quantum mechanics in chemistry

이책은 얇은 책이지만 난이도가 Mcquarrie보다는 높다 물리적인 냄새가 짙은 교재로 tensor의 특성을 교묘히 숨겨 놓았다. 연습문제 또한 수준높은 문제들이 배치되어 있다. 구성은 양자역학의 공리를 Mcqurrie책과 같이 기술해놓았고 디락 방정식을 언급함으로써 스핀을 이 책 수준에서 왜 그렇게 이해해야 하는지를 소개해 놓았다. 분광학의 경우는 구성이 적지만 다루어야할 것을 거의 다 다뤘다. 즉, 독학으로 이해하기에는 매우 어렵다는 소리고 이 챕터의 연습문제도 거의 헬 수준이라 보면 된다. Mcquarrie책과 같이본다면 물리학적 테크닉이나 물리학적 해석능력도 두루 향상될거라 생각함. 가격은 3만5천원으로 책 두께를보면 비싸다는 생각이듬

2.3. Engel Quantum chemistry Spectroscopy

이책은 유일하게 칼러풀한 교재로서 이해를 돕기위한 그림이 적절하게 배치되었고 수학적 물리학적 유도과정도 비교적 상세한 책이다 마찬가지로 양자역학의 공리를 서술해놓았고 얇지만 강한책이라는 인상을 준다 분광학에 대한 기술도 양자화학책 수준의 책에서는 다뤄야할 것은 모두 다룬것 같다

2.4. Atkins physical chemistry quanta matter and change

Atkins의 다른교재인 물리화학책을 순서만 바꾼것 같은 인상을 주는 책이며 그 책보다 약간 심화된 내용도 두루 갖췄다. 하지만 독학하기에는 끔찍한 교재라 컬러풀한 이미지에 낚이면 험난한 고생길이 예정되어 있다. 그리고 삽화에 비해 저자의 물리적 식견이나 말빨이 못 미친다고 생각된다. 양자 부분은 Mcquarrie나 Engel을 같이 본다면 물리화학 부분에서 해탈의 경지에 이를 것이라 생각된다. 가끔 이 책을 보면 꽂히는 부분이 몇 있는데 그 중 하나가 통계역학이다. 다른 책들은 물리적 해석은 좋지만 수학적인 엄밀성이 떨어지지만 이 책은 반대이다. Reif의 통계역학 책의 전개 방식으로 분배함수를 기술하는 방식이 인상적이었다. 양자 부분은 수학은 많이 써놨지만 물리적인 해석이 기타 책에 비해 많이 떨어진다.